Minéralogie, porosité et diffusion des solutés dans l'argilite du ...

Résumé
A l’échelle mésoscopique (∼cm-µm), la diffusion des solutés ioniques dans l’argilite du
Callovo-Oxfordien de Bure (Meuse/Haute Marne, France) dépend de l’organisation spatiale
de la porosité et des minéraux (principalement argiles, carbonates et quartz). L'obtention de
cartes minérales 2-D (microscopie électronique) ou 3-D (microtomographie de rayons X) est
rendu possible par le développement de techniques de segmentation spécifiques. Les cartes
de porosité obtenues par la méthode 3 H-PMMA sont clairement corrélées à la minéralogie.
Elles démontrent que les porosités locales (∼µm) et globales (∼cm) dépendent principalement
de la teneur en minéraux argileux, les quartz et les carbonates pouvant être considérés comme
non poreux. La diffusion des solutés a été modélisée à partir de la distribution spatiale 3-D
réelle des minéraux et de la porosité. Cette approche a permis de quantifier le rôle des
minéraux non poreux sur la géométrie des chemins de diffusion dans l’argilite. Le facteur de
géométrie des chemins de diffusion a été corrélé à la teneur et la morphologie des minéraux
non poreux. Les résultats obtenus ont mis en évidence une anisotropie de diffusion due à
l’orientation préférentielle des grains de quartz et de carbonates dans le plan de sédimentation.
A partir de méthodes de cartographies élémentaires, la distribution spatiale de l’ion Cu 2+ et
des minéraux a été acquise à l’échelle mésoscopique après une expérience de diffusion. Les
résultats expérimentaux confirment les liens existant entre diffusion et minéralogie.
Mots clés: diffusion, mineralogie, porosité, modélisation, roche sédimentaire argileuse
Abstract
In Bure Callovo-Oxfordian argillite (Meuse/Haute Marne, France), the spatial organisation of
porosity and minerals (mainly quartz, carbonates, and clays) controls the solute diffusion at
mescoscopic scale (∼cm-µm). New developments in the field of image analysis were devoted
to extract mineral maps from 2-D (scanning electron microscopy) and 3-D (X-ray
microtomography) imaging techniques. The porosity maps provided by the 3 H-PMMA
method demonstrate that porosity and mineral distributions are clearly correlated. The local
(∼µm) and global (∼cm) porosity depend mainly on clay mineral content, carbonates and
quartz being unporous. Solute diffusion was modelled from actual 3-D mineral and porosity
spatial distribution. Using this numerical approach, diffusion pathways were quantified
according to the mineral distribution. The geometry factor was correlated to the fraction and
the morphology of unporous mineral. A diffusion anisotropy due to the preferential
orientation of carbonates and quartz was also underlined by this approach. In an experimental
way, Cu 2+ diffusion and mineral was visualised and quantify at mescoscopic scale from
elemental mapping methods. These techniques provide various relationships between Copper
distribution and mineralogy.
Key words: diffusion, mineralogy, porosity, modelling, clay-rich rock